位错密度晶体塑性模型及在微成形模拟中的应用
博士论文答辩ppt课件
了细微扭转、微弯曲和微压痕试验弯曲实验中观测到的尺度效应现象。
位错密度晶体塑性模型 ➢Evers等人、 Cheong 和 Busso、Ma等人采用高阶位错密度晶体塑性模型，分别研究了晶格
错配引起的GNDs强化效应、Hall-Petch效应以及宏观非均匀塑性变形过程中梯度强化效应
据本文所知： 当前尚未报道可同时描述塑性微成形工艺一阶尺度效应和二阶尺度效应的研究成果
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上海交通大学工学博士论文答辩
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课题来源
本课题受以下项目资助
国家自然科学基金重点项目(2009-2012) 《微型构件精密塑性微成形关键技术与基础理论》
次弹性晶体塑性模型数值缺点
● 需要考虑增量客观性，晶粒相对于材料的旋转 ● 需要逐步更新晶粒取向、滑移系矢量、Schmid张量
本文准隐式积分算法的特点 ● 对流动方程进行一阶Taylor展开，提高数值稳定性 ● 基于超弹性框架，在晶粒未发生旋转的中间构型进行本构计算，无需更考虑
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有限变形晶体塑性理论
变形梯度乘法分解及应力度量
金属单晶体变形
塑性滑移
弹性拉伸及刚体旋转
表示晶体沿着滑移方向的均匀剪切所对应的变形梯度 代表弹性变形（晶格畸变）和刚体转动所产生的变形梯度
初始构型
建立在当前 构型的次弹 性晶体塑性 模型
建立在中间 构型的超弹 性晶体塑性 模型
中间构型
第二P-K应力
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微挤压集成电路引脚(LFT)
微拉深电子枪圆杯(Philip)
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上海交通大学工学博士论文答辩
基于Voronoi图理论的微体积成形数值建模及验证
基于Voronoi图理论的微体积成形数值建模及验证席道英; 郑伟【期刊名称】《《山东建筑大学学报》》【年(卷),期】2019(034)006【总页数】5页(P45-49)【关键词】Voronoi图理论; 数值模拟; 微成形; 尺寸效应; 晶粒取向【作者】席道英; 郑伟【作者单位】山东建筑大学工程力学研究所山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TG3010 引言随着科学技术的快速发展，人们对微型零件的需求正逐渐增加，微塑性成形技术成为材料加工领域的研究热点。
微塑性成形技术是指通过材料发生一定的形变，制造出二维或三维方向上尺寸＜1 mm零件的技术[1-4]，具有高生产效率、性能好、误差小及无污染等优点。
微塑成形技术在微机械及微电子等领域具有十分重要的应用前景，近几十年在市场因素的推动下迅速发展成为材料加工领域的热点。
数值模拟方法是研究微塑性成形的主要手段之一，在生产工艺中，可以减少工艺设计的时间和降低生产成本。
目前提出的微塑性成形理论中的区域化模型不包含各种尺度参数，因此基于成形理论的数值模拟不能直接使用现有的有限元软件。
很多学者都基于实验数据推导本构关系及研究微塑性成形过程中的尺度效应现象，但缺少一些理论依据[5-6]。
彭林法[7]考虑了表面层模型理论的情况，将表面层晶粒看作单晶，从而改进了Hall-Petch公式，建立了一种复合材料区域化模型并实现了微塑性成形过程的数值模拟。
但在微尺度下，变形区域只有几个或十几个晶粒时，不能忽视单个晶粒取向对整个变形的影响，因此需要对整个材料模型进行晶粒化处理，以便更清晰地实现对微塑性成形过程的数值模拟分析。
常妍妍[8]在研究微成形工艺时引用一种新的数值模拟方法，将所用的多晶体材料看作由正六边形组成的晶粒，每个晶粒代表一个特殊作用的有限单元，其每个晶粒单元由晶粒边界单元连接，这些晶粒边界单元用来描述晶粒之间的剪切变形。
王广春等[9]将模型中的每个晶粒单元视为由6个节点组成，在具体的网格划分中将其分为2个四边形单元。
超塑性成形的原理和应用
超塑性成形的原理和应用1. 超塑性成形的概念超塑性成形是一种可以在极高温度下并且应力条件下进行的金属塑性变形技术。
它的特点是在高温下，金属材料具有极高的塑性，可以在较小的应力下实现大变形。
超塑性成形主要应用于高温合金的成形加工，如航空航天零部件、发动机叶片和复杂形状的零件等。
2. 超塑性成形的原理超塑性成形的原理是通过改变金属材料的晶体结构和形变机制来实现。
在高温下，金属材料的晶体结构会发生变化，从原来的多晶结构转变为细小的晶粒。
这种细小晶粒的结构使得金属材料在高温下具有较高的塑性。
超塑性成形的变形机制主要有固溶变形机制和晶界滑移机制。
固溶变形机制是指在晶体内部出现位错和断裂，通过位错运动和撤消来实现变形。
晶界滑移机制是指晶界变形的滑移和滑动机制，在晶界上形成高密度的位错和滑移。
3. 超塑性成形的应用超塑性成形的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 航空航天领域在航空航天领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的零部件，如发动机叶片、涡轮盘等。
超塑性成形能够在一次成形过程中实现复杂形状的制造，不仅可以减少后续加工工序，还能够提高零件的质量和性能。
3.2 汽车制造领域在汽车制造领域，超塑性成形可以用于制造汽车车身和车身零部件。
通过超塑性成形，可以使得汽车的轻量化设计成为可能，提高汽车的燃油效率和性能。
3.3 铁路交通领域超塑性成形在铁路交通领域的应用主要集中在制造高速列车的车体和车轮等零部件。
通过超塑性成形，可以使得高速列车具有更好的抗风阻能力和稳定性，提高列车的运行速度和安全性。
3.4 石油化工领域在石油化工领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的化工设备，如反应器、换热器等。
超塑性成形能够使得化工设备具有更好的耐腐蚀性和耐压性，提高设备的使用寿命和效率。
3.5 其他领域此外，超塑性成形还可以应用于船舶制造、电子设备制造、科学研究等其他领域。
通过超塑性成形，可以制造出更加复杂和精密的零部件，提高产品的质量和性能。
冲压成形中的材料应变硬化特性与建模
冲压成形中的材料应变硬化特性与建模材料的应变硬化特性在冲压成形过程中起着至关重要的作用。
应变硬化是指材料在受到应变后硬度增加的现象，这主要是由于材料的晶格结构发生改变，导致其内部的位错密度增加所引起的。
本文将讨论材料的应变硬化特性在冲压成形中的重要性，并介绍一种常用的建模方法来预测材料在冲压过程中的行为。
一、冲压成形中的材料应变硬化特性材料的应变硬化特性对冲压成形过程中的形状变化和力学行为起着至关重要的作用。
在冲压过程中，材料受到的应力会导致其发生塑性变形，而材料的应变硬化特性决定了它的变形行为以及抵抗变形的能力。
应变硬化通常是通过应力-应变曲线来描述的。
在材料受到应力时，其应变会逐渐增加。
当应变达到一定程度时，材料的硬度会开始增加，这是由于材料内部的位错密度增加导致的。
此后，材料的应变硬化特性将会使其很难进一步变形，需要更大的应力来继续变形。
材料的应变硬化特性可以通过实验来确定，其中最常用的方法是进行材料屈服强度试验。
通过对不同应变程度下材料的硬度进行测试，可以得到应力-应变曲线，并确定材料的应变硬化指数。
这些试验数据对于冲压成形中的模拟和预测至关重要。
二、冲压成形中的材料应变硬化建模方法为了预测材料在冲压成形过程中的性能，建立准确的材料应变硬化模型至关重要。
目前，有多种方法可以用于建模材料的应变硬化特性。
1. 硬化曲线法硬化曲线法是一种常用的建模方法，它根据实验数据建立材料的硬化曲线，并用曲线来描述材料的应变硬化特性。
该方法可以用于冲压成形中各个阶段的材料行为预测，但需要大量的实验数据支持。
2. 组织力学模型组织力学模型是一种基于材料内部微观结构的建模方法，它通过模拟材料的晶格结构和位错运动来预测其应变硬化行为。
此类模型能够考虑更多的材料特性，如晶体方位、晶界滑移等，但需要更加复杂的计算。
3. 统计学模型统计学模型是一种基于统计方法的建模方法，它通过分析大量的实验数据来建立材料的应变硬化模型。
位错密度晶体塑性模型及在微成形模拟中的应用
Evers等人、 Cheong 和 Busso、Ma等人采用高阶位错密度晶体塑性模型，分别研究了晶格 错配引起的GNDs强化效应、Hall-Petch效应以及宏观非均匀塑性变形过程中梯度强化效应
据本文所知： 当前尚未报道可同时描述塑性微成形工艺一阶尺度效应和二阶尺度效应的研究成果
上海交通大学工学博士论文答辩
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选题意义及背景
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微成形研究现状 课题研究现状 拟解决的关键问题和技术
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选题意义及背景
微成形工艺的应用
塑性微成形的优点: 大批量、低成本、 高精度、高效率、 短周期、无污染、 净成形
微型硬盘(Toshiba)
微型齿轮传动器(Sandia)
微挤压集成电路引脚(LFT)
微拉深电子枪圆杯(Philip)
● FCC晶体有12个滑移系
● 每个滑移系由滑移面的 法线 和滑移方向
组成
位错滑移引起的分切应变张量
Schmid张量
上海交通大学工学博士论文答辩
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有限变形晶体塑性理论
现象学晶体塑性流动模型和硬化模型
● 塑性功等效原理
● 滑移系分切应力 ● 现象学率相关流动方程
● 现象学硬化方程
滑移系交互系数
（自硬化、潜硬化）
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基于超弹性框架的准隐式积分算法
次弹性晶体塑性模型数值缺点
● 需要考虑增量客观性，晶粒相对于材料的旋转 ● 需要逐步更新晶粒取向、滑移系矢量、Schmid张量
本文准隐式积分算法的特点
● 对流动方程进行一阶Taylor展开，提高数值稳定性 ● 基于超弹性框架，在晶粒未发生旋转的中间构型进行本构计算，无需更考虑 晶粒相对于材料的旋转和增量客观性 ● 无需逐步更新晶粒取向、滑移系矢量和Schmid张量 ● 便于在主流的动力显式有限元软件中实现
微观塑性变形理论及其应用研究
微观塑性变形理论及其应用研究1. 前言微观塑性变形理论是固体力学中最基础和重要的理论之一，对于材料工程、力学、物理、材料科学等领域具有重要的意义。
塑性变形与微观结构紧密相关，在材料的应用过程中，了解材料的塑性变形规律和机理，能够为材料的制备和应用提供基础和帮助。
因此，本文将对微观塑性变形理论及其在材料工程中的应用进行综述，并讨论未来微观塑性变形理论研究的方向和关注点。
2. 微观塑性变形理论基础2.1 晶体塑性变形理论在晶体的塑性变形学中，晶体中的位错扮演着重要的角色。
位错是由晶体缺陷引起的，具有与原子间距相同的长度缺陷。
沿着位错线，原子序列存在错位，形成了一条“面包屑”状的结构。
晶体中的位错主要分为线状和面状。
线状位错是指在晶体中不同方向晶粒的交界处，相邻晶体原子序列错位所构成的一条线状缺陷；面状位错是指晶体中沿晶面错位的缺陷。
位错在晶体中具有以下作用：1）可以容许晶体变形，2）能够造成宏观形变，3）可以提高材料的强度。
2.2 塑性变形的本构关系本构关系是描述材料应力和应变之间的关系的理论模型。
对于塑性材料来说，塑性变形就是材料产生塑性应变的实现过程，也是弹塑性本构关系的一部分。
弹塑性本构关系是由弹性和塑性两个本构模型组合起来的。
塑性变形的本构关系通常用流动应力与应变速率之间的关系来表示。
流动应力是材料中的力，可以表征材料抵抗变形所需要的力；应变速率则是材料中变形的速度，可以反映材料变形的程度。
塑性变形的本构关系就是通过流动应力和应变速率之间的关系来描述塑性变形。
3. 微观塑性变形理论在材料工程中的应用3.1 新型材料的精细化设计微观塑性变形理论是实现新型材料精细化设计的重要理论基础。
通过对材料微观结构进行深入的研究，可以为材料的工程应用提供基础和帮助。
以金属材料为例，对于新型金属材料的设计，可以采用纳米晶技术来提高金属材料的强度和塑性。
纳米晶技术可以通过控制晶体粒度和晶界能来实现材料性能的优化。
位错、层错、变形孪晶以及应变诱导马氏体相变的协同
位错、层错、变形孪晶以及应变诱导马氏体相变的协同1. 引言位错、层错、变形孪晶以及应变诱导马氏体相变是固体材料中晶体微观结构发生变化的重要现象，这些现象对材料的性能和行为都具有重要的影响。
本文将围绕这些现象展开讨论，探讨它们之间的协同作用。
我们将介绍位错和层错在晶体结构中的作用，然后将深入探讨变形孪晶和应变诱导马氏体相变，最后分析它们之间的协同效应。
2. 位错和层错位错和层错是固体材料晶体中最常见的缺陷，它们可以通过使原子排列发生偏差来帮助晶体材料适应外部应力。
位错是晶体中原子排列出现偏差的线状缺陷，而层错则是晶体中原子排列偏差的面状缺陷。
这些缺陷对晶体的力学性能和行为都有显著的影响，它们能够增加材料的塑性变形能力，提高其强度和韧性。
3. 变形孪晶变形孪晶是金属材料中一种重要的微观结构，它在金属材料的加工过程中会被引入。
变形孪晶是由原始晶粒经过变形加工后产生的新晶粒，它们的晶向与原始晶粒有明显偏差。
变形孪晶的存在能够提高金属材料的强度和韧性，改善其塑性变形行为，对金属材料的机械性能有着重要的影响。
4. 应变诱导马氏体相变应变诱导马氏体相变是指在固体材料中由外部应变所导致的马氏体相变现象。
马氏体是一种具有形状记忆效应和超弹性行为的微观组织结构，它的形成可以显著改变材料的力学性能和变形行为。
应变诱导马氏体相变经常被用于制备具有记忆功能的智能材料，应用领域涵盖了医疗、航空航天等多个领域。
5. 协同效应位错、层错、变形孪晶以及应变诱导马氏体相变之间存在着协同作用，它们相互之间可以相互影响，共同作用着固体材料的力学性能和行为。
位错和层错的存在能够促进变形孪晶的形成，而变形孪晶则可以为应变诱导马氏体相变提供条件。
应变诱导马氏体相变则可能会改变材料的位错和层错结构，形成新的微观组织结构。
这种协同效应能够为材料的性能提升和新型材料的设计提供理论依据。
6. 结论位错、层错、变形孪晶以及应变诱导马氏体相变之间存在着紧密的协同作用，它们共同影响着固体材料的力学性能和行为。
力学模型在材料物理学中的应用
力学模型在材料物理学中的应用材料物理学是一门新兴的交叉学科，主要研究材料的结构、物理性质和功能，为材料设计、研发和制造提供科学依据。
而力学模型则是材料物理学中最为重要的工具之一，它能够描述材料的力学性质和形变特征。
本文将主要探讨力学模型在材料物理学中的应用，包括宏观模型和微观模型两个方面。
一、宏观模型宏观模型主要研究材料的宏观形变和强度特性，即材料的整体力学性质。
它通常采用连续介质力学的方法，即把材料看作连续体，假设其中每个微元均可看作力学特性相同的点。
常见的宏观力学模型有弹性模型、塑性模型和粘弹性模型等。
1. 弹性模型弹性模型是最基础的力学模型之一，它主要研究材料在低应力下的形变特征。
这种模型下，材料在受到外力作用后，会发生弹性形变，即形变随外力的增加而线性增加，且去除外力后恢复原状。
当外力达到一定程度时，材料会发生塑性变形，导致形变难以恢复。
弹性模型主要用于分析材料的弹性形变模量和弹性极限等力学指标。
2. 塑性模型塑性模型主要研究材料在高应力下的塑性形变特征。
当材料受到外力作用超过弹性极限时，就会发生塑性形变。
在材料的微观内部，塑性变形主要是由材料中的晶体结构发生变化引起的。
常见的塑性模型有屈服准则、流动规律和硬化规律等，它们可以模拟材料的塑性行为并预测高应力下材料的变形和破坏状态。
3. 粘弹性模型粘弹性模型是介于弹性模型和塑性模型之间的一种模型，适用于中等应力下的材料形变特征。
在这种模型下，材料的形变包含弹性变形和粘性变形两部分，材料在去除外力后不能完全恢复原状。
粘弹性模型主要用于分析材料的粘弹性特征，如粘滞阻力和流动规律等。
二、微观模型微观模型主要研究材料的微观结构和性质，即从原子或分子层面分析材料的物理行为。
它适用于材料的纳米尺度和单晶体级别的研究，常见的微观力学模型有原子力场模型、分子动力学模型和晶体塑性模型等。
1. 原子力场模型原子力场模型是一种通过势能函数描述原子相互作用的力学模型。
微观力学中的材料晶体塑性行为研究
微观力学中的材料晶体塑性行为研究材料科学是一个广泛而细分的领域，其中微观力学是其中一个重要的分支。
在材料科学中，研究材料的塑性行为是非常关键的。
而材料的塑性行为大部分是与材料的结晶结构相关的。
因此，本文将探讨微观力学中的材料晶体塑性行为的研究进展。
一、晶体结构和塑性行为晶体是由原子或分子组成的，具有高度有序排列的结构。
晶体的结构决定了材料的性质，包括硬度、强度和塑性行为。
在晶体中，原子通过键结合在一起，形成晶体的晶格。
晶体的晶格结构决定了材料的应力-应变行为，并影响材料的塑性行为。
二、位错理论位错是晶体中的一种缺陷，是由于晶体中的原子错位引起的。
位错对材料的塑性行为起着重要的作用。
材料的位错密度决定了材料的塑性行为。
位错可以通过晶体的切割和滑移来传播，从而引起材料的形变。
切割和滑移是晶体塑性行为的两个基本机制。
三、内应力与塑性行为内应力是材料中的原子之间相互作用产生的力。
内应力影响了材料的晶体结构和位错行为。
当材料受到外部应力时，内应力会导致位错的产生和运动，从而引起材料的塑性变形。
内应力和位错行为之间的相互作用是材料塑性行为研究的重点。
四、晶体塑性行为的模拟方法为了深入理解材料晶体的塑性行为，研究者们使用多种模拟方法来模拟和预测材料的塑性行为。
其中，分子动力学模拟和有限元分析是最常用的方法之一。
通过这些模拟方法，研究者可以模拟材料的变形和研究位错行为，从而揭示材料的塑性行为。
五、塑性行为的改进与应用了解和研究材料的晶体塑性行为对于改进材料的力学性能和应用具有重要意义。
通过优化材料的晶体结构和控制位错行为，可以改变材料的塑性行为。
这对于开发高强度和高韧性的材料非常重要。
此外，对材料晶体塑性行为的研究还有助于设计和制造先进的材料和结构，如高速列车轨道和新型电子器件。
六、结论微观力学中的材料晶体塑性行为的研究对于理解材料的力学性能和应用具有重要意义。
通过深入了解晶体的结构、位错行为和内应力的相互作用，可以揭示材料的塑性行为机制，从而指导材料的设计和改进。
多尺度建模仿真方法在钛合金塑性成形中的应用
多尺度建模仿真方法在钛合金塑性成形中的应用祝文沙【摘要】金属塑性成形是钛合金先进成形的一种重要方法,塑性成形是一个复杂的物理过程,多尺度计算机模拟是研究钛合金塑性成形的一种先进手段.文章综述了近5 a目前国内外常使用的模拟金属微观组织与力学性能的建模方法,尤其是钛合金的塑性成形建模方法,对各方法的优缺点提出了观点,并对多尺度建模的发展趋势提出了看法.【期刊名称】《湖南有色金属》【年(卷),期】2018(034)003【总页数】4页(P47-50)【关键词】钛合金;塑性成形;多尺度仿真【作者】祝文沙【作者单位】山西机电职业技术学院,山西长治046000【正文语种】中文【中图分类】TG113.25金属塑性成形是材料成形领域的一种重要且常用的方法。
在塑性变形过程中，宏观层面上应力、应变及温度会发生变化。
微观层面上，钛合金的会发生原子扩散、位错运动、微观组织演变。
因此由微观组织决定的性能（如强度、硬度、塑性、断裂韧性、疲劳、蠕变等）也将发生较大的改变。
因此，如何通过控制成形工艺以实现对成形和性能的协调控制一直是当今材料成形领域的研究重点。
钛合金在常温下的变形能力较差，容易发生开裂，因此等温锻造是制造钛合金锻件的一个主要方法。
钛合金在高温塑性成形过程中，组织会发生很大的变化，对应变、温度均很敏感，由于变形工艺参数的不同，钛合金的微观组织形态、含量、分布均有变化，如等轴初生α相、条状次生α相、晶界α相、残余β相的体积分数等均在发生变化。
目前，生产应用中控制组织的方法大部分是通过大量的工艺试验，通过微观组织分析和力学性能测试，结合理论分析得到的半经验方法。
随着计算方法和计算机技术的高速发展，材料加工的数值模拟软件可以很好地模拟钛合金在加工过程中的应力应变及温度分布。
但是对于人们关心的微观结构及力学性能的仿真方法，还没有成熟的商业软件。
由于高新技术产业的发展对塑性成形技术提出了成形成性的要求，因此研究宏观方面的塑性成形规律已不能满足要求。
面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型
面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型面心立方金属是一类常见的金属结构，具有良好的机械性能和热电性能，被广泛应用于工程领域。
循环变形是金属在使用过程中不可避免的现象，对于面心立方金属而言，其循环本构模型是研究循环变形行为的重要手段之一。
位错密度在金属的循环变形中起着至关重要的作用，因此基于位错密度的循环本构模型成为了研究的热点之一。
一、面心立方金属的微观结构与位错密度面心立方金属的微观结构主要由由密排和基面的层间滑移所决定。
在外力作用下，金属晶体内部的位错会发生滑移，从而引起晶体的变形。
位错是晶格的缺陷，其密度决定了金属的塑性变形能力。
随着位错密度的增加，金属的塑性变形能力也会增加，但过高的位错密度同时也会导致金属的疲劳失效。
面心立方金属的位错密度通常是通过电子显微镜、透射电子显微镜等微观技术进行观测和测量的。
位错密度的大小与金属的加工方式、应力状态、温度等因素有关。
位错密度还可以通过金属的塑性应变来间接反映，这也成为研究位错密度的重要手段之一。
二、基于位错密度的循环本构模型循环本构模型是用来描述金属在循环加载下的变形行为的数学模型。
基于位错密度的循环本构模型是将金属塑性变形的微观机制和位错密度的变化联系起来，从而揭示金属在循环加载下的变形规律和寿命预测。
1. 位错密度与循环变形位错密度对金属的循环变形具有重要影响。
在金属循环加载的过程中，位错会逐渐聚集并堆积，形成微观裂纹和晶界滑移带，从而导致金属的疲劳失效。
位错密度的变化是影响金属循环寿命的重要因素之一。
通过对位错密度的变化进行研究和监测，可以更好地理解金属的循环变形行为。
2. 循环本构模型的建立基于位错密度的循环本构模型需要考虑位错密度的动态变化和裂纹的扩展过程。
一般的建模思路是利用位错密度的动力学方程描述位错的产生、运动和聚集过程，结合裂纹扩展动力学方程描述裂纹的形成和扩展过程，从而得到金属循环变形的数学模型。
3. 模型参数的确定基于位错密度的循环本构模型需要考虑一系列的材料参数，如位错密度的增长速率、裂纹扩展速率等。
基于位错密度的晶体塑性有限元方法的数值模拟及参数标定
基于位错密度的晶体塑性有限元方法的数值模拟及参数标定叶诚辉;魏啸;陆皓【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2016(030)008【摘要】运用ABAQUS有限元分析软件对基于位错密度的晶体塑性有限元方法(CPFEM)及其晶体塑性参数进行了深入的研究.结果表明,CPFEM晶体塑性本构可以准确地体现材料的力学性能.通过讨论不同晶体塑性参数,得到各个参数可以分别控制材料的屈服强度、硬化过程、剪切应变速率、极限强度等性能.此外,为了标定材料的晶体塑性参数引入多晶的代表体积单元(RVE)模型,并讨论了晶粒数以及晶粒规整度对于RVE模型的影响.结果表明,RVE模型的晶粒数达到临界值750个时能够体现等轴晶的宏观各向同性.结合晶体塑性RVE模拟和拉伸试验结果,对Inconel 718合金的晶体塑性参数进行标定,晶体塑性有限元的模拟结果和实验结果的误差小于5％.证明经过标定的晶体塑性参数可以准确反映Inconel 718的力学性能,也使得进一步研究该合金介观晶粒尺度的力学性能成为可能.【总页数】7页(P132-137,142)【作者】叶诚辉;魏啸;陆皓【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TG302【相关文献】1.基于晶体塑性理论的疲劳裂纹起始数值模拟 [J], 刘俊卿;李蒙;左帆;刘红;曹书文2.基于非局部位错密度晶体塑性有限元模型的金属晶体薄膜微弯曲变形特点 [J], 章海明;董湘怀;王倩;李河宗3.基于晶体塑性有限元方法的不同变形状态下织构演化预测 [J], 李宏伟;杨合4.基于非局部位错密度晶体塑性有限元模型的金属晶体薄膜微弯曲变形特点 [J], 章海明;董湘怀;王倩;李河宗;5.基于晶体塑性理论的大变形数值模拟技术 [J], 刘海军;方刚;曾攀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
位错密度、残余孪晶体积分数和织构强度
位错密度、残余孪晶体积分数和织构强度是材料科学领域中重要的参数，它们直接影响着材料的力学性能和微观结构特征。
本文将对这三个参数进行深入探讨，分析它们之间的关系和对材料性能的影响，旨在为材料科学研究提供一定的参考。
一、位错密度位错密度是描述晶格缺陷的重要参数之一，通常用位错线、位错环或位错壁的长度总和来表示。
位错密度的大小直接影响着材料的塑性变形和变形硬化行为。
在金属材料中，位错密度与材料的强度和塑性有着密切的关系，位错密度越高，材料的强度通常也会越高。
通过控制位错密度可以调控材料的力学性能，是材料强化的重要手段之一。
二、残余孪晶体积分数残余孪晶体积分数是描述材料晶体内部结构的参数，它表示在材料的晶界、晶内及晶界周围残余孪晶晶粒的体积分数。
残余孪晶体积分数的大小与材料的晶粒尺寸和晶界密度密切相关，它反映了材料的晶界特征和晶粒的形貌。
残余孪晶体积分数的增加，通常会导致材料的塑性和韧性增加，而强度和硬度会有所降低。
在材料设计和制备过程中，需要合理控制残余孪晶体积分数，以获得所需的力学性能。
三、织构强度织构是描述材料晶粒取向分布规律的参数，它直接影响着材料的各向异性和力学性能。
织构强度是描述织构特征强度的指标，它反映了材料晶粒取向的偏好程度。
通常情况下，织构强度越高，材料的各向异性越明显，其力学性能也会有所提高。
在材料加工和热处理过程中，需要注意对织构的控制，以调节材料的力学性能和各向异性。
位错密度、残余孪晶体积分数和织构强度是材料科学研究中重要的参数，它们直接影响着材料的力学性能和微观结构特征。
合理控制这些参数，可以调节材料的强度、塑性、韧性和各向异性，为材料的设计和应用提供了重要的参考。
在今后的材料科学研究和工程应用中，需要进一步深入探讨这些参数之间的关系，以获得更加优良的材料性能。
四、位错密度对材料性能的影响位错密度是材料中位错的数量和密度，是材料塑性变形和变形硬化行为的关键参数。
对于金属材料来说，位错密度的增加会导致材料的强度增加，因为位错阻碍了位错位移，并增加了位错与位错之间的相互作用。
位错密度和畸变能
位错密度和畸变能位错密度和畸变能是材料科学中重要的概念，它们与材料的性能和结构密切相关。
在本文中，我们将探讨位错密度和畸变能的定义、影响因素以及在材料科学中的应用。
位错密度是指单位体积内位错的数量。
位错是材料中晶体结构的缺陷，可以看作是晶格中原子排列的偏差。
位错密度可以用来描述材料的力学性能、塑性变形和热力学性质。
位错密度越高，材料的塑性变形能力越强，但也会导致材料的脆性增加。
位错密度的计算方法有多种，常见的方法包括显微镜观察和X射线衍射技术。
显微镜观察可以直接观察到材料中的位错线和位错环，通过计算位错线和位错环的数量和长度，可以得到位错密度的近似值。
X射线衍射技术可以通过分析材料中的晶体衍射峰的形状和强度来推测位错密度。
位错密度的大小受多种因素的影响，包括材料的组织结构、晶体缺陷、温度和应力等。
晶体结构的缺陷和位错的生成与材料的制备和处理过程密切相关。
材料的温度和应力也会影响位错的生成和运动，进而影响位错密度。
畸变能是位错周围的晶体结构发生畸变时所需要的能量。
位错周围的晶体结构通常会发生畸变，畸变能可以看作是描述这种畸变的能量。
畸变能越大，位错周围的晶体结构发生的畸变越大。
畸变能的计算方法有多种，常见的方法包括密度泛函理论和分子动力学模拟。
密度泛函理论可以通过计算位错周围晶体结构的能量来推测畸变能。
分子动力学模拟可以模拟位错周围晶体结构的变化过程，通过计算位错周围晶体结构的总能量来得到畸变能的近似值。
畸变能的大小受多种因素的影响，包括材料的晶体结构、位错类型和位错密度等。
不同的晶体结构对位错的畸变能有不同的影响。
不同类型的位错对应不同的畸变能。
位错密度的增加会增加位错周围的畸变能。
位错密度和畸变能在材料科学中具有重要的应用价值。
位错密度可以用来评估材料的塑性变形能力和疲劳寿命。
位错密度越高，材料的塑性变形能力越强，但也会导致材料的脆性增加。
畸变能可以用来评估材料的稳定性和相变行为。
畸变能越大，材料的稳定性越强，相变的难度也越大。
Al-Cu-Li合金热变形特性与位错密度模型构建
0前言Al-Cu-Li 合金具有高强度、低密度、高耐腐蚀性等综合优势，是制造航空器零部件的理想材料[1]。
热加工是其关键成形工艺，在此过程中，深入理解材料热变形特性及建立准确的材料模型对指导实际工艺制定具有重要意义。
因此，Al-Cu-Li 合金的流变本构建模、微观组织分析、可加工性等方面得到了广泛研究。
例如，MIAO 等[2]研究揭示了2070铝合金在热变形过程中的流变行为及组织演变规律，LIN H I 等[3]构建了Al-3.65Cu-0.98Li 合金的热加工图和本构模型。
然而，从位错密度演变的角度对流变特性进行分析的研究鲜有报道。
Al-Cu-Li 合金热变形过程的位错密度演变复杂，对其微观组织影响显著，构建其热变形位错密度演变模型对揭示其热变形和热处理过程的微观组织演变机制有重要意义。
Galindo-Nava 等[4]分析了应变速率对位错重置湮灭的影响，认为K-M 理论对Cu 、Al 、Ni 等合金在宽泛温度下热变形过程的位错密度演变具有较好的预测能力。
此外，胡建良等[5]进一步应用K-M 理论构建了7A85铝合金“两段式”位错密度演变模型，描述了其塑性变形位错密度演变规律，并得到了较为准确的验证。
因此，针对Al-Cu-Li 合金的热变形行为，应用K-M 模型揭示其热变形过程中的位错密度演变规律，具有良好的应用前景。
本文针对Al-Cu-Li 合金开展了等温热压缩试验，分析了其流变行为，构建了峰值应力本构模型及K-M 位错密度模型，揭示了变形温度、应变速率及应变对位错密度的影响规律，可为其热加工工艺制定提供参考。
1试验试验材料为热轧态Al-Cu-Li 合金板材，其化学成分如表1所示。
采用线切割方式将原材料加工成ϕ8mm×12mm 的圆柱形试样。
试样外表面用800#砂纸打磨后，在GLEEBLE-3500热模拟试验机上将试样以10℃/s 的加热速度分别加热至390、420、450和480℃，保温3min 以获得均匀温度分布，以0.01、0.1和1s -1的应变速率进行等温压缩试验，试样压缩高度为60%，即平均真应变约为0.9。
塑性加工理论与应用于金属成形的数值模拟
塑性加工理论与应用于金属成形的数值模拟塑性加工是一种重要的金属成形方法，广泛应用于工业生产中。
为了提高塑性加工的效率和质量，并减少试验成本和时间，数值模拟在金属成形领域中得到了广泛的应用。
本文将探讨塑性加工理论以及如何将数值模拟应用于金属成形。
塑性加工理论是基于金属的塑性变形行为来描述和预测金属在形状改变过程中的力学行为。
塑性加工理论的基础是塑性流动的本构关系，即材料应力和应变之间的关系。
最常用的塑性加工理论是屈服准则理论，它描述了材料在达到屈服点之后的流变行为。
在金属成形的过程中，应用屈服准则理论可以预测材料的流动行为，从而设计出适当的成形工艺。
然而，仅仅依靠塑性加工理论无法准确地预测金属材料的成形过程，因为金属成形过程中涉及到复杂的变形、应力分布和热机能影响等因素。
这就需要使用数值模拟方法来辅助塑性加工理论的应用。
数值模拟是利用计算机数值方法对实际物理过程进行仿真和预测的一种方法。
在金属成形领域，数值模拟可以提供有关成形过程中金属的应力、应变、温度分布等重要信息。
数值模拟方法通常包括有限元法和有限差分法。
有限元法是一种将复杂的物理问题分解为小的离散单元的方法，通过求解大量离散方程组来模拟实际问题。
有限差分法则是用差分近似替代微分方程，将连续问题转化为离散问题。
在金属成形中，数值模拟可以帮助设计和优化金属成形工艺。
通过数值模拟，可以分析不同工艺参数对成形过程中的材料流动和应力分布的影响。
例如，在压力成形过程中，数值模拟可以确定适当的压力和速度，以避免材料的不均匀变形和破裂。
此外，数值模拟还可以预测在金属成形过程中可能出现的缺陷，如裂纹、疲劳等，从而提前采取适当的措施。
然而，数值模拟在应用中也存在一些问题和挑战。
首先，金属材料的塑性行为和流动规律非常复杂，需要建立准确的本构模型来描述材料的行为。
其次，数值模拟的计算精度和计算效率需要进行平衡，因为提高模拟的精度往往会增加计算的时间和成本。
最后，数值模拟结果的验证和验证也是一个重要的问题，需要与实际试验结果进行对比和分析，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
lammps 位错密度 建模
lammps 位错密度建模使用LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）进行位错密度建模涉及多个步骤。
LAMMPS是一个用于模拟分子动力学（MD）的开源软件包，它可以模拟原子、分子或宏观粒子集合的运动。
在建模位错密度时，通常需要考虑晶格结构、位错类型以及位错密度等因素。
以下是一个大致的建模步骤概述：1.确定晶格类型和晶格常数：使用LAMMPS的lattice命令定义所需的晶格类型（如fcc、bcc等）和晶格常数。
晶格常数决定了原子之间的间距和晶体的整体结构。
2.定义区域和创建盒子：使用region和create_box命令定义模拟区域并创建盒子。
这个盒子将包含你的原子和位错结构。
3.创建原子：使用create_atoms命令在盒子中创建指定类型的原子。
你需要指定原子的数量、类型和初始位置。
4.设置位错：位错的设置可能涉及到手动定义位错的位置、类型和密度。
LAMMPS本身并不直接提供创建位错的命令，但你可以通过修改原子的位置或速度来模拟位错。
这可能需要一些编程技巧和对位错理论的深入理解。
5.运行模拟：设置好模型后，你可以使用LAMMPS的模拟命令来运行模拟。
这包括设置模拟的时间步长、总模拟时间等参数。
6.分析和可视化结果：模拟完成后，你可以使用LAMMPS提供的工具或第三方软件对结果进行分析和可视化。
这可以帮助你理解位错密度对材料性能的影响。
需要注意的是，位错密度的建模是一个复杂的过程，需要对材料科学和计算模拟有深入的理解。
此外，由于LAMMPS是一个通用的模拟工具，它并没有针对特定应用（如位错建模）提供专门的命令或工具。
因此，你可能需要查阅相关的文献或教程，以获取更具体的建模方法和技巧。
虽然LAMMPS是一个非常强大的模拟工具，但它并不是唯一的选择。
对于位错建模，还有其他一些专门的软件或工具可能更适合你的需求。
位错及其在生活中的应用
冷作硬化：主要由于材料塑变过程中带来的位错与孪晶造成，
当将材料加热到再结晶温度以上，塑变时被拉长为纤维状的晶粒 以及晶粒间的位错与孪晶，大部分会得到回复，然后再次结晶和 长大，此时材料残余内应力基本消失，塑性、韧性提高，硬度降 低，为二次成形带来有利影响。
氏体、立方马氏体、高温马氏体)，具有相当高的强度(硬度达 45—50HRC，屈服强度达1000—1300MPa和抗拉强度达 1200—1600MPa)，很好的塑性(A≥10％、z≥40％)和韧性 (Akv≥59J)，以及良好的冷加工性、可焊性和热处理形变小等 优点。因此，低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强 韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。 从上世纪60年代初，西安交大周惠久教授就开始了 对低碳马氏体及其综合力学性能的研究、试验工作；与此同 时，在上述研究成果的基础上，我国石油行业率先应用低碳 马氏体技术，采用15CrMo低碳合金钢经强烈淬火，获得低碳 马氏体，代替价格昂贵的PCrNi3Mo炮钢，制造57—103型射 孔枪，获得了成功
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位错的几个应用
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Eighth Page 低碳马氏体：(也称板条马氏体、位错马氏体、块状马
位错及其在活中的应用
基于内变量的微观组织模拟方法及其在热加工过程中的应用-
塑性体积成型与控制论文题目：基于内变量的微观组织模拟方法及其在热加工过程中的应用导师：袁林学号：14S009112姓名：王娜娜专业：材料加工工程—锻压基于内变量的微观组织模拟方法及其在热加工过程中的应用摘要：金属在热加工过程中微观组织发生动态、静态回复以及再结晶、晶粒长大等一系列复杂的演化，材料内部微观结构的改变，会直接影响成形后金属的成形质量和力学性能。
文章阐述了金属高温塑性成形时微观组织预测模拟的主要研究方法，即直接模拟法、相场法和有限元法；并分别评述了各方法目前在国内外的研究概况、特点以及缺点和适用范围；重点介绍了基于物理本质多尺度耦合的微观组织内变量有限元模型方法。
研究结果表明，基于内变量法的微观组织物理模型相对其他方法，最适合用于多尺度微观组织预测数值模拟，模拟结果与实际更为相符，而且最能解释说明各变量演变的物理机制，具有广阔的应用前景。
关键词：金属热加工；微观组织演变；多尺度耦合；数值模拟Abstract：A series of complex micro structure evolution，such as dynamic and static recovery and recrystal1ization ，grain growth etc．，take place during hot metal form i n g．T h e micro structure changes directly influence the forming quality and mechanical[1] properties of products．In order to improve the quality of products and save research expenditure，micro structure evolution simulation technology is m ore and more popular．This review states the several major research methods of micro structure prediction simulation，such as direct simulation method，the past field method and finite element method．And all these methods，including their characteristics[2]，range o f applications and shortcomings，are reviewed respectively i n the domestic and international metal forming research field．Especially this review focuses on the finite element scale coupling numerical simulation model based physically-based internal state variable method．R search results show hat the micro structure prediction physical model based on internal state variable method best fits the multiscale numerica1[3]simulation ．T he simulated results match the reality to the b est and can also explain the physical mechanism of the evolution o f variables．Therefore ，i t has great potential for application．Key words：hot metal—forming ；micro structure evolution ；scale up led ；numerical simulation引言金属热成形过程中，随着变形量的加大，材料内部位错密度开始急剧增殖，导致位错堆积阻塞产生加工硬化。
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隐式算法： Huang, 1991; Kalidindi et al., 1992 优点：无条件稳定，求解精度有保证 缺点：难收敛(无法得到准确的Jacobian矩阵)，计算效率低
显式算法： Grujicic and Batchu,2002; Rossiter et al., 2010. 优点：结构简单，本构斱程计算耗时最少 缺点：条件稳定，易发散，降低模型的整体增量步长，需要大量增量步
晶体塑性变形中的尺度效应。 应变梯度理论 Fleck和Hutchison，Gao等人和Huang等人建立了现象学的应变梯度塑性理论，成功地解释
了细微扭转、微弯曲和微压痕试验弯曲实验中观测到的尺度效应现象。
位错密度晶体塑性模型 Evers等人、 Cheong 和 Busso、Ma等人采用高阶位错密度晶体塑性模型，分别研究了晶格
微挤压集成电路引脚(LFT)
微拉深电子枪圆杯(Philip)
上海交通大学工学博士论文答辩
微挤压传动轰(Kiuchi, M)
1-1
选题意义及背景
微尺度塑性变形尺度效应 材料微观结构丌随尺度下降而下降
变形区内晶粒数较少，微观结构丌均匀性 显著，材料力学性能缺乏统计性和重复性
Geiger(2001)
晶粒大小尺度效应明显
● 滑秱系分切应力 ● 现象学率相关流动斱程 ● 现象学硬化斱程
滑秱系交互系数 （自硬化、潜硬化）
上海交通大学工学博士论文答辩
2-3
率相关晶体塑性积分算法
率相关晶体塑性模型数 缺点：金属材料中低温近似率无关性，导致率相关流动斱程强非线性。
率相关晶体塑性模型常见应力更新算法
非均匀塑性变形引起的强化作用
W.L. Chan, M.W. Fu, 2010
上海交通大学工学博士论文答辩
1-2
微成形研究现状
微尺度塑性变形尺度效应理论研究
表面层模型 Engel和Eckstein认为当试样尺寸减小而其微观结构保持丌变的情况下，试样表面的晶粒数
不试样内部的晶粒数目之比随之增加，材料的整体流动应力下降。 离散位错动力学 Guruprasad和Benz采用基于细观机制的2D离散位错塑性模型，研究微尺度下均匀压缩的
位错密度晶体塑性模型及在 微成形模拟中的应用
博士生：XXX 导 师：XXX 教授 塑性成形技术不装备研究院
2013.11.18
目录
课题背景不意义 晶体塑性模型及积分算法 位错密度晶体塑性模型 非局部位错密度晶体塑性模型 塑性微成形实验及模拟 结论不展望
课题意义及背景
1
晶体塑性模型及积分算法 1
位错密度晶体塑性模型
错配引起的GNDs强化效应、Hall-Petch效应以及宏观非均匀塑性变形过程中梯度强化效应
据本文所知： 当前尚未报道可同时描述塑性微成形工艺一阶尺度效应和二阶尺度效应的研究成果
上海交通大学工学博士论文答辩
1-3
课题来源
本课题受以下项目资助
国家自然科学基金重点项目(2009-2012) 《微型构件精密塑性微成形关键技术不基础理论》
有限变形晶体塑性理论
变形梯度乘法分解及应力度量
金属单晶体变形
塑性滑移
弹性拉伸及刚体旋转
表示晶体沿着滑秱斱向的均匀剪切所对应的变形梯度 代表弹性变形（晶格畸变）和刚体转动所产生的变形梯度
初始构型
建立在当前 构型的次弹 性晶体塑性 模型
建立在中间 构型的超弹 性晶体塑性 模型
中间构型
第二P-K应力
上海交通大学工学博士论文答辩
稳健且高效的晶体塑性积分算法，保证位错密度晶体塑性模型在塑性
成形模拟中稳定高效的
基于物理机理的材料模型，描述统计存储位错密度演化
非局部材料模型，描述非均匀塑性变形引起的几何必需位错密度演化
无网格求解技术，在商业软件中求解几何必需位错密度相关的梯度项，
使得非局部位错密度晶体塑性模型可以用于强非线性、复杂接触边界
准隐式算法： Pierce et al., 1982(切线系数法); Raphanel et al. 2004; Ling et al. 2005(龙格库塔法)
优点：兼顾求解精度、计算效率、计算稳定性 缺点：条件稳定(但在显式求解器中，丌会影响整体增量步长)
上海交通大学工学博士论文答辩
2-4
基于超弹性框架的准隐式积分算法
国家自然科学基金面上项目(2010-2012) 《晶体塑性模型的改进及其在微成形工艺研究中的应用》
上海交通大学工学博士论文答辩
1-4
拟解决的关键问题和技术
本文解决的关键问题
一阶尺度效应：晶粒大小、取向、试样几何特征尺寸的影响 二阶尺度效应：应变梯度强化效应和几何必需位错密度强化效应
本文提出的关键技术
当前构型Cauchy应力
2-1
有限变形晶体塑性理论
宏细观应力应变
● 位错沿着原子密排面-密排斱向(滑秱系)滑动 ● FCC晶体有12个滑秱系 ● 每个滑秱系由滑秱面的
法线 和滑秱斱向 组成
位错滑移引起的分切应变张量
上海交通大学工学博士论文答辩
Schmid张量
2-2
有限变形晶体塑性理论
现象学晶体塑性流动模型和硬化模型 ● 塑性功等效原理
1
非局部位错密度晶体塑性模型 1
塑性微成形实验不模拟
1
结论不展望
1
选题意义及背景 微成形研究现状 课题研究现状 拟解决的关键问题和技术
选题意义及背景
微成形工艺的应用
微型硬盘(Toshiba)
塑性微成形的优点: 大批量、低成本、 高精度、高效率、 短周期、无污染、 净成形
微型齿轮传动器(Sandia)
次弹性晶体塑性模型数值缺点
● 需要考虑增量客观性，晶粒相对于材料的旋转 ● 需要逐步更新晶粒取向、滑秱系矢量、Schmid张量
本文准隐式积分算法的特点 ● 对流动斱程进行一阶Taylor展开，提高数值稳定性 ● 基于超弹性框架，在晶粒未发生旋转的中间构型进行本构计算，无需更考虑
晶粒相对于材料的旋转和增量客观性 ● 无需逐步更新晶粒取向、滑秱系矢量和Schmid张量 ● 便于在主流的动力显式有限元软件中实现
的金属成形模拟中
上海交通大学工学博士论文答辩
1-5
课题意义及背景
1
晶体塑性模型及积分算法 1
位错密度晶体塑性模型
1
非局部位错密度晶体塑性模型 1
塑性微成形实验不模拟
1
结论不展望
1
有限变形晶体塑性理论 率相关晶体塑性积分算法研究现状 准隐式积分算法 单个单元压缩和剪切测试 等误差图分析 轧制模拟及ODF预测 筒形件拉深模拟及制耳预测 计算效率和稳定性 总结